La Société Française d’Ecologie et d’Evolution (SFE2) vous propose ce regard de Nathalie Fromin, Tiphaine Chevallier et Agnès Robin, chercheuses respectivement au CNRS, à l’IRD et au CIRAD, sur les interactions entre sols et climat.

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Les sols à l’heure du changement climatique :
quel rôle demain dans la séquestration du carbone ?

par Nathalie Fromin(1), Tiphaine Chevallier(2) et Agnès Robin(3),

(1) : Chercheuse CNRS au Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive, Montpellier.

(2) : Chercheuse IRD à l’UMR Eco&Sols, Montpellier.

(3) : Chercheuse CIRAD à l’UMR Eco&Sols, Brésil.

E-mails : [email protected] ; [email protected] ; [email protected]

Article édité par Anne Teyssèdre

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Mots clés : Sol, communautés microbiennes, changement climatique, changements globaux, séquestration du carbone, cycle du carbone, services écosystémiques, régulation du climat, interactions, boucles de rétroaction, gestion adaptative.
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Les sols, support de la vie et réservoir de carbone

Les sols sont le support de la vie pour d’innombrables organismes, y compris les humains. Ils sont à l’origine de nombreux « services écosystémiques » pour les sociétés humaines (cf. Regard n°4 d’A. Teyssèdre) : ils supportent la production agricole, régulent la composition de l’atmosphère, stockent et épurent les eaux douces, stabilisent ou éliminent les polluants, ou encore contrôlent les pathogènes (voir par ex. le Regard n°70 de J-F. Ponge). Les sols sont l’un des plus grands réservoirs de biodiversité sur Terre (voir Regard n°28 de S. Barot & F. Dubs) : ils abritent environ 25% des espèces connues, pendant tout ou partie de leur vie (Orgiazzi et al., 2016). Par exemple, de nombreux insectes pollinisateurs ont une phase de leur vie dans le sol. Les sols constituent aussi le plus grand réservoir (ou « pool ») de carbone terrestre : les estimations sont d’environ 1500 milliards de tonnes (Gt) de carbone dans le premier mètre de profondeur, soit une quantité plus élevée que celles contenues dans l’atmosphère et la végétation combinées. Des études récentes suggèrent que les sols profonds représentent également un stock de carbone non négligeable mais totalement sous-estimé jusqu’à présent (Gross & Harrison, 2019). Par ailleurs, le carbone organique contenu dans les sols a une vitesse de dégradation et renouvellement –dite taux de turnover- plus lente que celui des autres compartiments organiques, c’est-à-dire qu’il assure un stockage à plus long terme du carbone.

Fig 1 : Paysage agricole normand, montrant une mosaïque de sols cultivés, forestiers, artificialisés, … (Cliché Anne Teyssèdre).

D’où vient le carbone organique du sol (COS) ? Principalement des plantes, qui prélèvent le gaz carbonique (CO2) dans l’atmosphère lors de la photosynthèse et transfèrent dans le sol une large fraction -50 % en moyenne- des molécules organiques formées (dites photosynthétats) via l’exsudation racinaire ou la production de litières (feuilles et racines mortes). L’allocation de carbone organique au sol varie selon les espèces végétales considérées et leur mode de gestion : elle est par exemple moindre chez les plantes cultivées sélectionnées pour allouer un maximum de carbone aux parties aériennes, lesquelles sont en grande partie exportées de la parcelle lors de la récolte ; cette perte peut être en partie compensée si les résidus sont laissés sur le sol après récolte (Pausch & Kuzyakov, 2018).

Les microorganismes (principalement bactéries et champignons) contrôlent ensuite le devenir du carbone dans les sols : ils le stabilisent dans des complexes organo-minéraux sous forme plus ou moins stable ou l’utilisent comme source de biomasse ou d’énergie. Dans ce dernier cas, il est retourné dans l’atmosphère sous forme de CO2 (c’est ce qu’on appelle la « respiration du sol » ou « respiration hétérotrophe »). C’est la différence entre la quantité de carbone qui arrive dans le sol et celle qui en ressort qui va déterminer si le sol joue un rôle de puits ou de source de CO2. Les mécanismes qui régulent le devenir du carbone dans les sols sont complexes et encore mal compris (Derrien et al., 2016). Globalement, on estime que, dans les systèmes agricoles, seulement 10 % du carbone de la biomasse végétale apportée sera stocké durablement dans le sol (Fujisaki et al., 2018). On considère ainsi aujourd’hui que c’est principalement le carbone issu de l’exsudation racinaire et sa transformation par les microorganismes qui contribue à la synthèse des formes stables (dans des complexes organo-minéraux) du COS (Kallenbach et al., 2016 ; Sokol et al., 2019). La séquestration du carbone dans les sols dépend donc de multiples facteurs dont l’usage des sols, qui conditionne la quantité et la qualité des apports organiques, la composition des communautés biologiques (végétales, microbiennes) et les conditions climatiques.

La question du COS permet d’aborder deux préoccupations majeures des sociétés :

  • L’atténuation des gaz à effet de serre (GES) : dans le contexte actuel d’urgence climatique, la séquestration biologique de carbone organique dans les sols constitue une stratégie d’atténuation peu coûteuse, écologique et dénuée d’effets indésirables. On estime qu’augmenter globalement le COS de 10% pourrait permettre de réduire de 110 ppm la concentration en CO2 atmosphérique (Cusack et al., 2014).
  • La sécurité alimentaire : la teneur en carbone organique d’un sol détermine sa structure (agrégation, porosité) et donc le comportement de l’eau dans le sol, sa susceptibilité à l’érosion, sa capacité à retenir les nutriments et, au final sa qualité. Dans de nombreuses régions, la dégradation des sols (perte de fertilité, voire perte de sol par érosion) est directement liée à la perte de COS. Les populations humaines concernées, qui sont particulièrement menacées d’insécurité alimentaire, sont concentrées dans les régions où les sols sont fortement appauvris en COS et en nutriments (Asie du Sud / Pacifique, Afrique sub-saharienne), généralement à la suite de pratiques agricoles inappropriées et dont les effets sont souvent aggravés par le changement climatique (Lal, 2011).

Il existe donc un lien fort entre sécurité alimentaire, dégradation des sols et changements climatiques (Lal, 2011). L’initiative ‘4 pour 1000’ des sols pour la sécurité alimentaire et le climat (« 4 per mille Soils for Food Security and Climate »), lancée à l’issue de la COP 21 en 2015, vise à montrer que la séquestration de carbone dans les sols peut jouer un rôle crucial pour la sécurité alimentaire et l’atténuation du réchauffement climatique, et promeut les initiatives et les pratiques visant à augmenter la séquestration biologique du carbone dans les sols (https://www.4p1000.org/fr).

Fig. 2 : L’initiative 4 pour 1000 © Sydo

Menaces sur les sols dans un monde changeant

Pourtant, les sols sont dégradés ou détruits, inexorablement. Ils s’épuisent notamment du fait de l’intensification de l’agriculture : d’après le Comité Scientifique Français de la Désertification, « près d’un quart des terres agricoles n’est plus en état de produire quelque culture que ce soit ». En outre, les zones urbaines ou impactées par les activités humaines progressent. Ainsi, en France métropolitaine, on estime la surface totale des sols artificialisés à 9 % du territoire. Cette proportion est d’environ 4 % au niveau européen, soit 250 000 km² au total. Le changement climatique en cours affecte aussi les sols, et avec eux les communautés biologiques qui y vivent, leurs fonctions biologiques et les services écosystémiques associés. D’autant que ces communautés (en particulier microbiennes) jouent un rôle central dans la biologie du changement global : elles contrôlent de nombreux processus de production ou de consommation de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone (CO2), le protoxyde d’azote (N2O) ou encore le méthane (CH4) (Singh et al., 2010). Il est donc essentiel de comprendre comment les microorganismes et les processus qu’ils portent vont répondre au changement climatique pour anticiper ses effets (Cavicchioli et al., 2019). Dans un monde changeant, plus chaud et parfois plus sec ou soumis à des anomalies climatiques plus fréquentes (sécheresses, inondations…), les sols vont-ils continuer à jouer leur rôle dans la séquestration du carbone et l’atténuation du changement climatique ? Il n’est pas simple de répondre à cette question, car les composantes du changement climatique affectent les micro-organismes à la fois directement, en modifiant leur environnement immédiat (température, disponibilité en eau…), mais aussi indirectement en modifiant les communautés végétales et leur physiologie, qui déterminent la quantité et la nature des substrats organiques apportés au sol (et dont dépendent les microorganismes).

(1) Un monde plus carboné : L’augmentation de la teneur en CO2 atmosphérique ne devrait pas impacter directement les microorganismes du sol, où la teneur en CO2 est naturellement élevée. En revanche, sous atmosphère enrichie en CO2, la photosynthèse augmente (on parle de « fertilisation CO2« ) et avec elle les flux de carbone (apports de carbone dans les sols par exsudation, production de litières, respiration du sol…), avec des effets de rétroaction et des limitations en nutriments complexes (Schimel et al., 2015 ; Kuzyakov et al., 2019).

(2) Un monde plus chaud : Logiquement, le réchauffement climatique devrait accélérer les réactions enzymatiques des microorganismes et donc la minéralisation du carbone et son retour dans l’atmosphère sous forme de CO2 (Ballantyne et al., 2017), y compris depuis les sols profonds (Hicks Pries et al., 2017). Mais les prédictions ne sont pas simples et les conséquences d’une élévation des températures sur le stock de COS dépendent du type d’écosystème considéré. En particulier, le réchauffement climatique devrait impacter fortement les sols des hautes latitudes (Crowther et al., 2019) et les pergélisols (« permafrost »), leur dégel libérant d’énormes quantités de gaz à effet de serre (méthane en particulier) qui, eux-mêmes, viendront contribuer au réchauffement.

(3) Un monde plus sec ? Les prévisions concernant l’évolution des précipitations sont complexes, mais globalement, les climatologues annoncent une précipitation annuelle moyenne plus faible et des épisodes de sécheresse plus fréquents en Europe du sud d’ici la fin du siècle (données PESETA). Les processus microbiens dans les sols sont largement dépendants de la disponibilité en eau, avec une baisse des activités enzymatiques si celle-ci est limitée. Au-delà, la fréquence, l’intensité et la durée des épisodes de sécheresse impactent aussi la réponse des communautés microbiennes du sol et des processus associés, rendant difficile la prédiction des conséquences des changements de régimes de précipitation sur les processus de stockage du carbone dans les sols (Schimel 2018).

Fig.3 : Agriculture, changement climatique et érosion des sols
(Vignes occitanes, cliché Anne Teyssèdre )

Par ailleurs, les composantes du changement climatique (réchauffement, changement des régimes de précipitation…) agissent simultanément, avec des conséquences parfois opposées les processus biologiques impliqués et des interactions complexes et peu connues. Les effets positifs de la fertilisation en CO2 sur le stockage du COS l’emporteront-ils sur ceux, négatifs, de l’augmentation de la température (qui augmente le métabolisme et donc les émissions de GES de l’ensemble des organismes du sol) ? Une baisse de la disponibilité en eau permettra-t-elle d’atténuer la réponse négative des communautés microbiennes des sols au réchauffement ? S’y ajoutent d’autres bouleversements en cours comme les changements d’usage des sols, les phénomènes de pollution locale ou d’eutrophisation, ou encore la perte de biodiversité, avec des effets possibles de synergies ou d’antagonismes. La diversité végétale constitue un levier prometteur pour moduler le stockage biologique de carbone dans les sols (Chen et al., 2019) et une diversité végétale élevée est également bénéfique pour la qualité des litières arrivant au sol (celles-ci présentent un ratio C/N plus bas) et l’accumulation de COS (Zhou et al, 2019). La perte de biodiversité pourrait ainsi impacter négativement les stocks de COS. Ces multiples facteurs rendent très complexe les prédictions concernant le devenir du carbone dans les sols (Köchy et al., 2015).

Conclusion

Compte tenu de la diversité des facteurs en jeu et de leurs interactions, on sait finalement peu de choses sur la réponse globale des communautés microbiennes au changement climatique et ses conséquences en termes de séquestration du carbone. En juin 2019, un collectif de scientifiques alertait : « ignorer le rôle des communautés microbiennes dans la biologie du changement climatique, les effets de ce dernier sur ces communautés et les boucles de rétroaction peut nous conduire à notre propre perte » (« Ignorance of the role of, effects on and feedback response of microbial communities to climate change can lead to our own peril ») (Cavicchioli et al., 2019). Pourtant, à l’heure où la dégradation des sols ne cesse de progresser (IPCC 2019), les institutions peinent à intégrer la protection des sols dans leur cadre juridique. La préservation des sols et de leur stock de carbone constitue donc un enjeu fort, avec des implications socio-économiques importantes (rapport CGDD-EFESE). Pour protéger les sols et leur rôle dans l’atténuation du changement climatique, il est urgent de mieux comprendre le devenir du carbone dans les sols. Parce que tout y est lié ! Protéger les sols et leur matière organique, c’est favoriser la biodiversité, la lutte contre l’érosion, la santé et la fertilité des sols, mais aussi lutter contre le réchauffement climatique et ses conséquences.

Fig.4: Mirages et labyrinthe pour 2050 – Quel futur pour les sols,
la nature, les sociétés ?   Photo A. Teyssèdre.

Remerciements

Nous remercions Anne (Teyssèdre) pour ses relectures attentives de l’article et ses conseils judicieux.

Bibliographie

Ballantyne A., W. Smith et al., 2017. Accelerating net terrestrial carbon uptake during the warming hiatus due to reduced respiration. Nature Climate Change 7, 148–152. doi: 10.1038/nclimate3204

Cavicchioli R., W.J. Ripple et al., 2019. Scientists’ warning to humanity: microorganisms and climate change. Nature Reviews Microbiology 17, 569-586. doi: 10.1038/s41579-019-0222-5

Chen X., H.Y.H. Chen, et al., 2019. Effects of plant diversity on soil carbon in diverse ecosystems: a global meta-analysis. Biological Reviews. doi: 10.1111/brv.12554

Crowther T.W., J. van den Hoogen et al., 2019. The global soil community and its influence on biogeochemistry. Science 365:eaav0550. doi: 10.1126/science.aav0550

Cusack D.F., J. Axsen, et al., 2014. An interdisciplinary assessment of climate engineering strategies. Frontiers in Ecology & the Environment 12, 280-287. doi: 10.1890/130030

Dawud S.M., K. Raulund-Rasmussen et al., 2016. Is tree diversity or species identity the more important driver of soil carbon stock, C/N ratio and pH? Ecosystems 19, 645-660. doi: 10.1007/s10021-016-9958-1

Derrien, D., M.F. Dignac et al., 2016. Stocker du C dans les sols : quels mécanismes, quelles pratiques agricoles, quels indicateurs ? Etude et Gestion des Sols, 23, 193-223.

Fujisaki, K., T. Chevallier et al., 2018. Soil carbon stock changes in tropical croplands are mainly driven by carbon inputs: A synthesis, Agriculture, Ecosystems & Environment 259, 147-158. doi: 10.1016/j.agee.2017.12.008

Gross C.D. & R.B. Harrison, 2019. The case for digging deeper: Soil organic carbon storage, dynamics, and controls in our changing world. Soil Systems 3, 28. doi: 10.3390/soilsystems3020028

Hicks Pries C.E., C. Castanha, R. Porras & M.S. Torn, 2017. The whole-soil carbon flux in response to warming. Science 355, 1420-1423. doi: 10.1126/science.aal1319

Kallenbach C.M., S.D. Frey & A.S. Grandy, 2016. Direct evidence for microbial-driven soil organic matter formation and its ecophysiological control. Nature Communications 7, 13630. doi:10.1038/ncomms13630

Köchy M., A. Don, M.K. van der Molen & A. Freibauer, 2015. Global distribution of soil organic carbon – Part 2:Certainty of changes related to land use and climate . Soil 1, 367-380. doi: 10.5194/soil-1-367-2015

Kuzyakov Y., W.R.Horwath, M. Dorodnikov & E. Blagodatskaya, 2019. Review and synthesis of the effects of elevated atmospheric CO2 on soil processes: No changes in pools, but increased fluxes and accelerated cycles. Soil Biology and Biochemistry 128, 66-78. doi: 10.1016/j.soilbio.2018.10.005

Lal R., 2011. Sequestering carbon in soils of agro-ecosystems. Food Policy 36, S33-S39. doi: 10.1016/j.foodpol.2010.12.001

Orgiazzi A., R.D. Bardgett et al., 2019. Global Soil Biodiversity Atlas. European Commission, Publications Office of the European Union, Luxembourg. https://www.globalsoilbiodiversity.org/atlas-introduction

Pausch J. & Y. Kuzyakov, 2017. Carbon input by roots into the soil : Quantification of rhizodeposition from root to ecosystem scale. Global Change Biology 24 :1-12. doi: 10.1111/gcb.13850

PESETA https://ec.europa.eu/jrc/en/peseta/peseta-i-results/change-mean-annual-temperature-and-precipitation-end-century

Schimel D., B.B. Stephens & J.B. Fisher, 2015. Effects of increasing CO2 on the terrestrial carbon cycle. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 112 : 436-441. doi: 10.1073/pnas.1407302112

Schimel J.P., 2018. Life in fry soils : Effects of drought on soil microbial communities and processes. Annual Review of Ecology, Evolution and Systematics 49 : 409-432. doi: 10.1146/annurev-ecolsys-110617-062614.

Singh B.K., R.D. Bardgett, P. Smith & D.S. Reay, 2010. Microorganisms and climate change: terrestrial feedbacks and mitigation options. Nature Reviews Microbiology 8, 779–790. doi: 10.1038/nrmicro2439

Sokol N.W., S.E. Kuebbing, E. Karlsen-Ayala & M.A. Bradford, 2019. Evidence for the primacy of living root inputs, nor shoot or root litter, in forming soil organic carbon. The New Phytologist 221: 233-246. doi: 10.1111/nph.15361

Zhou G., P. Ciais et al., 2019. Climate and litter C/N ratio constrain soil organic carbon accumulation. Nature Science Review 6: 746-757. doi: 10.1093/nsr/nwz045

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Pour en savoir plus :

Quelques liens :

Commissariat général au développement durable (2019). EFESE – La séquestration du carbone par les écosystèmes français. La Documentation Française (ed.). Collection Théma Analyse, e-publication. https://www.ecologique-solidaire.gouv.fr/sites/default/files/Th%C3%A9ma%20-%20La%20sequestration%20de%20carbone%20par%20les%20ecosysteme.pdf

IPCC International Panel on Climate Change, IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems. https://www.ipcc.ch/report/srccl/

FAO and ITPS. 2015. Status of the World’s Soil Resources (SWSR) – Main Report. Food and Agriculture Organization of the United Nations and Intergovernmental Technical Panel on Soils, Rome, Italy. http://www.fao.org/3/i5199e/i5199e.pdf

L’initiative 4 pour 1000, pour accroitre la capture de carbone dans le sol grâce à des pratiques agroécologiques https://www.4p1000.org/

Quelques vidéos-clés sur les sols, face aux changements globaux :
– Sol, agriculture et changement climatique – Impacts et enjeux : https://www.su-ite.eu/nexus-videos-cles/a5/
– L’initiative 4 pour 1000 – Question-clé à Luc Abbadie : https://vimeo.com/229122918
(Source : Nexus videos-clés, coordination A. Teyssèdre.)

Regards connexes :

Autres regards sur les sols : https://www.sfecologie.org/tag/sols/

Regards sur les habitats : https://www.sfecologie.org/tag/habitats/

Regards sur l’agriculture : https://www.sfecologie.org/tag/agriculture/

Regards sur les services écosystémiques : https://www.sfecologie.org/tag/services-ecosystemiques/

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Article édité et mis en ligne par Anne Teyssèdre.

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